清潔高效火力發(fā)電技術(shù)分析

朱雅婷，鄭修明，宋振龍

（中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001）

清潔高效火力發(fā)電技術(shù)分析

朱雅婷，鄭修明，宋振龍

（中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001）

當(dāng)前，我國能源消耗中煤炭資源占據(jù)的比例非常高，產(chǎn)生了約占排放總量40%的二氧化碳，以及大量的硫化物和氮氧化物，造成日益嚴(yán)重的環(huán)境問題。利用清潔高效的發(fā)電技術(shù)，可以有效緩解大氣污染狀況。本文將對不同路線的清潔高效火力發(fā)電技術(shù)進(jìn)行論述和分析，以推動清潔高效火力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

清潔；高效；火力發(fā)電技術(shù)

電力是現(xiàn)代化電氣設(shè)備與各類電器中不可或缺的基礎(chǔ)性動力。從我國的電力生產(chǎn)形式的分布狀況可以看出，常規(guī)燃煤火力發(fā)電占到了80%左右的比重。常規(guī)燃煤火力發(fā)電不僅浪費(fèi)大量的煤炭資源，還對大氣環(huán)境造成巨大的污染。為能夠?qū)⒒茉聪慕档阶畹统潭?、降低二氧化碳等氣體排放、實(shí)現(xiàn)電力的可持續(xù)生產(chǎn)，清潔高效的火力發(fā)電技術(shù)逐漸成為關(guān)注的熱點(diǎn)。從當(dāng)前的火力發(fā)電技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r可以看出，主流的清潔高效火力發(fā)電技術(shù)包括700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)、IGCC發(fā)電技術(shù)、天然氣發(fā)電技術(shù)等。

1 700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)

自建國以來，我國一直將燃煤發(fā)電作為主要的發(fā)電形式。從燃煤發(fā)電的角度來看，只要我們以先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)作為支持，便能夠促使當(dāng)前的燃煤發(fā)電效率得到大幅度的提升。

2010年，國家為支持700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)，由國家能源局牽頭成立了“700℃超超臨界發(fā)電”聯(lián)盟，科技部把“700℃超超臨界發(fā)電”列入新技術(shù)發(fā)展2012年度國家科技計(jì)劃，并設(shè)立了“國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用示范”重點(diǎn)項(xiàng)目。700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)的研發(fā)所需時(shí)間較長、科研經(jīng)費(fèi)投入巨大，研究的課題與課題之間有著緊密的聯(lián)系，彼此間互相影響，為此需要進(jìn)行精密的規(guī)劃。

與常規(guī)的600℃超超臨界發(fā)電技術(shù)相比，700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)的供電效率可提高至50%，每千瓦時(shí)煤耗可降低近30克，二氧化碳排放減少14%。700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)的難點(diǎn)在于高溫材料的研制與篩選，鎳基高溫合金材料的研究與長期持久性能評定，鍋爐、汽輪機(jī)、汽水系統(tǒng)的關(guān)鍵高溫部件、高溫閥門的加工制造工藝，示范電站的設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行技術(shù)。

目前國內(nèi)已完成鍋爐高溫段集箱部件驗(yàn)證平臺的研制、700℃緊湊型超超臨界煤粉鍋爐的初步設(shè)計(jì)以及700℃超超臨界電站熱力系統(tǒng)的優(yōu)化，完成了700℃超超臨界汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化等工作，與國外同類技術(shù)相比已沒有明顯差距。我國完全有能力率先掌握700℃超超臨界發(fā)電技術(shù)，推動我國清潔高效發(fā)電技術(shù)、材料工業(yè)、設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展。

2 IGCC發(fā)電技術(shù)

IGCC是英文Integrated Gasification Combined Cycle的縮寫，中文名字為“整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)”，它是將煤炭氣化之后生成的合成煤氣，經(jīng)凈化處理后，用于發(fā)電的先進(jìn)動力與能源系統(tǒng)。

與超超臨界發(fā)電技術(shù)相比，IGCC發(fā)電技術(shù)在發(fā)電成本和系統(tǒng)運(yùn)行的可用率等方面處于劣勢，但在實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔利用和二氧化碳的減排方面具有明顯的優(yōu)勢。IGCC 發(fā)電技術(shù)將空氣分離技術(shù)、煤的氣化技術(shù)、煤氣凈化技術(shù)、燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)有機(jī)集成，較好地實(shí)現(xiàn)了能源的梯級利用，使其成為高效和環(huán)保的發(fā)電技術(shù)。IGCC發(fā)電技術(shù)的效率可達(dá)43%～45%，二氧化硫排放在25mg/Nm3左右，氮氧化物排放只有常規(guī)燃煤電站的15%～20%，被公認(rèn)為是世界上最清潔的燃煤發(fā)電技術(shù)，可以很好的解決我國現(xiàn)有燃煤電站污染嚴(yán)重的問題。

我國在燃煤發(fā)電技術(shù)發(fā)展的過程當(dāng)中，先后發(fā)起IGCC多聯(lián)產(chǎn)示范工程、IGCC發(fā)電技術(shù)示范工程等項(xiàng)目，目前這些工程建設(shè)已經(jīng)取得了顯著性成績。由中國華能集團(tuán)投資建立的我國首個(gè)25萬千瓦等級的IGCC發(fā)電示范工程項(xiàng)目已經(jīng)于2012年在天津投產(chǎn)運(yùn)行，該電站具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，打破了國外技術(shù)和設(shè)備的壟斷，對我國IGCC發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。自投運(yùn)以來，電站運(yùn)行人員通過不斷的探索、消缺、調(diào)試和改進(jìn)，已掌握了IGCC電站運(yùn)行的核心技術(shù)，2016年，機(jī)組負(fù)荷已能穩(wěn)定運(yùn)行在265兆瓦左右，二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別為0.5 mg/Nm3、22mg/Nm3。

3 天然氣發(fā)電技術(shù)

目前國內(nèi)天然氣發(fā)電技術(shù)路線主要包括燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)和分布式發(fā)電技術(shù)。為促使火力發(fā)電技術(shù)結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步的優(yōu)化，使得天然氣發(fā)電技術(shù)占據(jù)的比例逐漸升高，我國相繼引入F級、E級燃?xì)廨啓C(jī)制造技術(shù)，具備了制造F級、E級燃?xì)廨啓C(jī)的能力，并建設(shè)了一批燃?xì)廨啓C(jī)電站，掌握了豐富的燃機(jī)電站設(shè)計(jì)、建設(shè)、調(diào)試和運(yùn)行技術(shù)。燃?xì)廨啓C(jī)的聯(lián)合循環(huán)效率最高可達(dá)61%，有助于提高能源的高效、清潔利用。但是我國目前仍未掌握燃?xì)廨啓C(jī)核心制造技術(shù)，燃?xì)廨啓C(jī)組的檢修過于依賴外方。在重型燃?xì)廨啓C(jī)中并未掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，中低熱值合成氣的燃燒技術(shù)欠缺，一些高性能微小型燃?xì)廨啓C(jī)全部以進(jìn)口為主。

天然氣分布式發(fā)電技術(shù)是以天然氣為主要原料驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備運(yùn)行，產(chǎn)生電力的同時(shí)，系統(tǒng)余熱可通過余熱回收設(shè)備向用戶供熱、供冷，也可以稱為天然氣冷熱電三聯(lián)供技術(shù)。通常建設(shè)在大型小區(qū)、園區(qū)、商務(wù)區(qū)、辦公樓宇等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了在負(fù)荷中心位置達(dá)到能源利用效率最大化，促使天然氣能源在現(xiàn)有的基本狀況下得到高效地運(yùn)用。與過去集中式能源供給的形式相比，天然氣分布式發(fā)電技術(shù)可在最為安全的狀態(tài)下獲得高效率地運(yùn)用，創(chuàng)造最大化的社會經(jīng)濟(jì)效益。具備冷熱電三聯(lián)供功能的天然氣分布式發(fā)電技術(shù)效率可高達(dá)70%以上，大氣污染物排放遠(yuǎn)低于常規(guī)燃煤火力發(fā)電技術(shù)。

4 火力發(fā)電中清潔高效的能源結(jié)構(gòu)分析

在我國社會經(jīng)濟(jì)水平日益提高的今天，火力發(fā)電逐漸從最初的單一能源模式向多元化模式發(fā)展。除了上述提到的幾種清潔高效發(fā)電技術(shù)，還包括核能發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電等清潔高效發(fā)電技術(shù)。

為應(yīng)對世界能源緊缺的問題，火力發(fā)電生產(chǎn)過程中要不斷地引入更多的清潔能源，或提高能源的清潔利用效率。從最終火力發(fā)電中清潔高效能源結(jié)構(gòu)的具體呈現(xiàn)情況可以看出，整個(gè)火力發(fā)電廠中石化能源所占比例將大大降低。由于受到石化能源供應(yīng)緊張的影響，各國家或地區(qū)相繼研發(fā)與使用高效清潔的火力發(fā)電技術(shù)，以更好地解決石化能源供應(yīng)緊張的矛盾。

天然氣作為我國主要的清潔能源，將成為今后火力發(fā)電技術(shù)與能源結(jié)構(gòu)革新的主要能源。天然氣具有發(fā)熱量高、易燃燒的顯著特征，在經(jīng)過燃燒之后排放的污染物少等優(yōu)點(diǎn)。今后的清潔高效火力發(fā)電技術(shù)的研發(fā)與運(yùn)用過程中，要進(jìn)一步拓展天然氣的使用規(guī)模。

從當(dāng)前我們所使用的能源來看，核能是最為先進(jìn)、最清潔的能源，通過利用可控的核聚變來代替石化能源現(xiàn)已演變?yōu)槿祟惪衫寐首罡摺⒁?guī)模最大的商品能源。到目前為止，核電站在全球范圍內(nèi)的數(shù)量不斷地增多，從而使得核電供應(yīng)比重地持續(xù)增加。核電生產(chǎn)過程中的安全問題是有待解決的主要問題。在世界各國火力發(fā)電技術(shù)日新月異的今天，傳統(tǒng)的火力發(fā)電能源結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)顯著的改變，這在一定程度上會使得核電能源取代其傳統(tǒng)能源，其在火力發(fā)電技術(shù)中的作用也將會大大增加。

由于水資源的可再生循環(huán)特點(diǎn)，水力發(fā)電的可再生性是非常顯著的。因此，世界各國只要有充分的基礎(chǔ)條件就大力建設(shè)水力發(fā)電廠。同時(shí)地?zé)崮堋L(fēng)能、太陽能等新能源也逐漸得到了很大程度上的開發(fā)與利用，這些舉動促使火力發(fā)電能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的改變。當(dāng)前的火 力發(fā)電技術(shù)在運(yùn)用過程中要從本地的實(shí)際狀況出發(fā)，多利用新型清潔的可再生能源，在利用火力發(fā)電技術(shù)的同時(shí)注意做好環(huán)境的保護(hù)工作。

5 結(jié)語

清潔高效的發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用是促使火力發(fā)電技術(shù)水平得到進(jìn)一步提高的有效途徑。各類清潔高效發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，不但能夠促使我國當(dāng)前的電力生產(chǎn)企業(yè)發(fā)電效率得到明顯地提高，還可將對環(huán)境帶來的污染減少到最低。本文通過對當(dāng)前清潔高效火力發(fā)電技術(shù)路線、清潔高效火力發(fā)電能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的分析，明確指出，在未來火力發(fā)電技術(shù)研發(fā)與運(yùn)用中，新型清潔高效火力發(fā)電技術(shù)將會推動我國現(xiàn)有的火力發(fā)電技術(shù)的更大進(jìn)步。

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